Resfriamento por spray para servidores, uma boa opção

Pesquisadores da Universidade Técnica Nanyang (NTU) de Cingapura estão propondo um método mais sustentável para refrigerar servidores em data centers, reduzindo os custos de energia e a pegada de carbono em até 26%.

Em Cingapura, em particular, os data centers respondem por 7% do consumo total de eletricidade, segundo os pesquisadores. Com a crescente demanda por recursos computacionais, é fundamental encontrar uma solução que a energia consumida e os impactos ambientais desses ambientes.

O componente que mais se aquece nos servidores dos data centers é a CPU, que exige um dissipador de calor dedicado e refrigerado a ar. Além disso, o espaço dos data centers, como um todo, também precisa ser resfriado por aparelhos de ar condicionado. No entanto, os esquemas convencionais de resfriamento a ar são termicamente ineficientes e consomem muita energia, por exigirem uma grande diferença de temperatura entre a fonte de calor e o meio de resfriamento. Como resultado, entre 30% a 55% da energia consumida pelos data centers é destinada a sistemas de refrigeração.

Mais importante ainda, a crescente miniaturização de chips eletrônicos levará inevitavelmente a um aumento do fluxo de calor, enquanto o esquema de resfriamento a ar é limitado a um patamar relativamente baixo de 37 W/cm², segundo os pesquisadores da NUT. Portanto, eles chamam a atenção para a necessidade urgente de estratégias de resfriamento mais eficazes.

Levando todos esses pontos em conta e considerando que, devido a melhores propriedades térmicas, o resfriamento por líquido tem sido visto como uma alternativa promissora ao método a ar, a solução desenvolvida pelos cientistas da NTU adotou um spray especial de fluidos não condutores para resfriar a CPU diretamente. 

O esquema de resfriamento líquido indireto, que usa sistemas de circulação de fluidos, foi desconsiderado por conta de preocupações com o vazamento do líquido refrigerante. Já o resfriamento por imersão que, de acordo com estudos, tem eficiência energética, é superior ao método de resfriamento a ar na região dos trópicos, pode ter uma implementação desafiadora e cara em grandes data centers.

Foi então que surgiu a ideia do resfriamento por pulverização, que borrifa o fluido dielétrico diretamente sobre as CPUs e utiliza uma combinação de mecanismos de remoção de calor altamente eficientes, como evaporação e ebulição. Os gases e fluidos em excesso são coletados em um sistema fechado, condensados em líquido em temperatura ambiente nos  trópicos (cerca de 30 graus Celsius) e circulado de volta para ser reutilizado pelo sistema.

“A inspiração da nossa solução é simples. Se quisermos apagar uma madeira em chamas, somos ensinados a apontar o extintor na base do fogo em vez de tentar eliminar as chamas ou ao redor do fogo. Pensando de maneira similar, estamos gastando muita energia tentando refrigerar o ar ao redor da fonte de calor, quando deveríamos resfriá-la diretamente”, explica Wong Teck Neng, professor da NTU que lidera o projeto de pesquisa.

O professor comenta que a abordagem direcionada é mais inteligente, especialmente em ambientes tropicais, onde a alta umidade e o calor podem pressionar os sistemas tradicionais de refrigeração a ar. Por exemplo, um data center convencional tem de operar a cerca de 18 graus Celsius. Em comparação, ambientes que usam resfriamento por spray podem manter sua temperatura ideal em cerca de 55 graus Celsius, sem a necessidade de usar sistemas de ar condicionado que consomem muita energia. A Eficácia do Uso de Energia (PUE), ou proporção da energia total usada pelo data center versus a energia real entregue aos servidores — do novo protótipo pode chegar a valores próximos de 1,08 (quanto mais próximo de 1, melhor). Data centers refrigerados a ar, em geral, tem valores de PUE, em geral, em torno de 1,8.

Com base na energia consumida pelos servidores em um rack, o calor residual é de cerca de 7kW por metro cúbico em modelos convencionais refrigerados a ar. Em comparação, o protótipo de resfriamento por spray usado na pesquisa mostrou conseguir dissipar significativamente mais calor, lidando com densidades de até 23kW por metro cúbico.

Além disso, com a nova solução de resfriamento por spray, estima-se que servidores com maior poder computacional possam ser reunidos em um espaço menor do que o visto nos data centers atuais. Os pesquisadores avaliam que isso pode ser traduzido em cerca de 30% de economia de espaço em relação os data centers convencionais que usam sistemas de resfriamento de ar, uma vantagem significativa diante da escassez de terrenos que devemos ver pela frente em algumas regiões.

De acordo com os pesquisadores, o resfriamento por pulverização também permitirá que as CPUs funcionem em velocidades mais altas que as atuais, que são limitadas pelo resfriamento a ar (velocidades mais altas levam a temperaturas mais altas também). Outra vantagem é que a nova abordagem proposta pelos cientistas da NTU é altamente escalável e facilmente adaptável a data centers modernos.

Em termos de impacto ambiental, estudos realizados pela equipe de pesquisadores mostraram que, considerando uma carga de TI de 1 megawatt no data center, o sistema resfriado por spray pode reduzir até 1.550 toneladas de emissão de CO² anualmente em comparação com os sistemas convencionais de refrigeração a ar. Além disso, operações energeticamente eficientes resultantes da refrigeração por pulverização pode levar a uma economia de 26% nos custos anuais de energia.

Durante a pesquisa, foi usado um sistema de rack refrigerado por spray em escala real acomodado em uma caixa com capacidade para acomodar até 12 servidores. Sprays com vários bicos borrifam o fluido sobre cada CPU. Há também um sistema de coleta para o líquido vaporizado e um condensador que trabalha em temperatura ambiente para converter os gases em líquido. Nenhum sistema de refrigeração é necessário.

Patentes para a tecnologia já foram solicitadas; uma delas já foi concedida nos Estados Unidos em julho de 2022.